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Power Quality
os relés de protección y los equipos de
control de las líneas de alimentación son
elementos esenciales para el funcionamiento de
los sistemas de transmisión y distribución de
energía eléctrica. Los modernos relés de protec-
ción y control utilizan microprocesadores y pro-
cesadores de señales digitales (DSP) con el fin de
aplicar algoritmos de protección más avanzados y
mejorar el control y la automatización por medio
de las redes digitales de comunicación. Gracias a
los avances conseguidos en la tecnología de
microprocesadores y DSP, muchos relés ofrecen
actualmente algo más que la mera capacidad de
protección [1]. Dado que permiten acceder a las
mediciones de tensión e intensidad pueden hacer
mediciones, captar ondas y supervisar la calidad
PQ de la energía eléctrica. En los relés más
modernos se ha integrado una capacidad adicio-
nal con el fin de permitir la comunicación con
otros equipos, inclusive los sistemas SCADA
(S upervisoryC ontrol and D ata A cquisition. Ante-
riormente la capacidad de supervisión de PQ
había sido implantada en el dispositivo de medi-
da digital Alfa de ABB aplicando la tecnología de
microprocesadores y DSP. Lógicamente, el
siguiente paso fue implantar la supervisión de PQ
en los equipos de nivel superior. El controlador
de conmutadores SCD 2000 de media tensión
y el controlador de relés de reconexión PCD 2000
utilizan la tecnología de microprocesadores2
1
Mejor control de calidad de la enDavid Hart, David Uy, Damir Novosel, Steven Kunsman, Carl LaPlace, Marco Tellarini
Los relés de protección y los equipos de control de la distribución, como componentes vitales para el funciona-
miento del sistema eléctrico, se encuentran desplegados en todos los niveles de la red, en cada uno de los
elementos de los equipos principales y en todos los interruptores automáticos. La liberalización del mercado de
la energía y la capacidad, cada día mayor, de las Tecnologías de la Información y de los microprocesadores han
creado el marco para la integración de nuevas funciones en los dispositivos tradicionales mencionados. ABB ha
implantado funciones avanzadas de control de la calidad de la energía –como son la identificación de cargas, la
captación y medida de ondas oscilográficas de fallos– en sus relés y equipos de control de distribución con el fin
de que sus clientes puedan acceder a información sobre la calidad de la energía (PQ, Power Quality) en muchos
puntos del sistema, liberándolos de la necesidad de confiar en dispositivos de supervisión especializados.
L
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rgía para las compañías eléctricas
para las aplicaciones de los equipos de control de
distribución de ABB. El relé connmutador de
líneas de alimentación DPU 2000R se utiliza
en las subestaciones.
¿Qué significa calidad de
la energía eléctrica?
Esta es una cuestión a la que cada ingeniero dará
una respuesta diferente. En este artículo enfoca-
mos la cuestión desde el punto de vista de la
práctica y cuando hablamos de calidad de la
energía eléctrica (PQ) pensamos en las perturba-
ciones que podrían afectar a los equipos del
cliente y del sistema eléctrico [2]. Se trata de suce-
sos que normalmente se analizan a posteriori.
Dado que en la industria no existe un límite níti-
do entre la calidad de la energía eléctrica y la fia-
bilidad, y por tanto no es fácil determinar en cual
de las dos categorías habría que incluir un suceso
determinado, cuando hablamos de calidad de la
energía consideramos que la fiabilidad (cortes del
suministro) es parte de la misma.
La diversidad de interpretaciones del concep-
to de calidad de la energía eléctrica y de los suce-
sos que afectan a la misma ha llevado a IEEE a
definir normas para la evaluación de PQ. Existen
buenas razones para ajustarse a las normas de
IEEE al implantar la supervisión de la calidad de
la energía PQ; por ejemplo, ofrece una definición
conocida y ampliamente aceptada, aclara la ter-
3
1 Relé de interruptor de la alimentación
de subestaciones DPU 2000R de ABB
2 Controlador de reconexión de
líneas de alimentación PCD 2000
3 Controlador de conmutadores SCD 2000
situado en el extremo superior del poste
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minología sobre la calidad de la energía y permi-
te acceder fácilmente a la documentación sobre
las normas. Los documentos que definen el con-
trol de la calidad de la energía son IEEE 1159 [3]
y 519 [4]: IEEE 1159 trata de las variaciones de
tensión, los transitorios de alta frecuencia, los
efectos de corta duración (como las caídas y ele-
vaciones rápidas) y de larga duración (por ejem-
plo las sobretensiones y subtensiones), las inte-
rrupciones, el desequilibrio de tensión, los armó-
nicos y las variaciones de frecuencia; las pertur-
baciones armónicas se tratan en IEEE 519.
En las subestaciones de Media y Alta Tensión
y en las plantas de los clientes se utilizan con fre-
cuencia dispositivos especializados para el control
PQ y detectar los sucesos que puedan afectar a la
misma. Cuando dichos dispositivos se disparan
debido a un suceso que afecta a la calidad de la
energía eléctrica, frecuentemente ponen en mar-
cha una captación de ondas oscilográficas de alta
frecuencia a partir de las variaciones de la intensi-
dad o de la tensión. Las ondas captadas se guar-
dan en dispositivos de almacenamiento masivo
como puede ser una unidad de disco duro. Nor-
malmente se captan muchos sucesos, lo que obli-
ga al ingeniero a seleccionar los datos y decidir
cuáles de ellos va a considerar como críticos.
Generalmente los relés de protección no dispo-
nen de la capacidad de almacenamiento en
memoria que tienen los dispositivos de supervi-sión PQ de gama alta. Además, en los relés típi-
cos el muestreo tiene lugar a una velocidad míni-
ma de 8 muestras por ciclo. Estas limitaciones
obligan a los relés a filtrar los sucesos PQ con el
fin de optimizar su almacenamiento en la memo-
ria; los relés, además, no pueden captar los suce-
sos de alta frecuencia.
Las definiciones de IEEE establecen un marco
ideal para clasificar los sucesos. Latabla muestra
algunos sucesos PQ típicos clasificados por su
magnitud y duración. Los sucesos de alta frecuen-
cia producidos por las sobretensiones debidas al
rayo y los armónicos de grado alto no serán
detectables para un relé de protección. Esto signi-
fica que, en las compañías eléctricas, la informa-
ción más importante para un director de relacio-
nes con los clientes normalmente no incluirá
datos de alta frecuencia.
Debido al filtro pasabajos y/o a los errores
producidos por el ruido, a una velocidad de 32
muestras por ciclo los relés de protección solo
podrán, en la práctica, supervisar hasta el 9º
armónico. Esto es suficiente para captar la mayo-
ría de los armónicos generados durante el funcio-
namiento de los sistemas eléctricos. La mayor
contribución de la norma IEEE 519 a la supervi-
sión PQ es que define cómo medir los armónicos
según las ondas de tensión y las ondas de
corriente. La distorsión total armónica se utiliza
como medida del contenido de armónicos en las
ondas de tensión. La distorsión total de la deman-
da (TDD) se utiliza para medir el contenido de
armónicos en las ondas de corriente.
¿Por qué utilizar relés de protec-
ción para supervisar la calidad
de la energía eléctrica?
La supervisión PQ de la calidad de la energía por
medio de un relé de protección de ABB o de uni-
dades de control de la distribución no pretende
competir con los sistemas más refinados de
supervisión de la calidad. Se trata, más bien, de
ofrecer un medio económico para equipar puntos
de supervisión permanente en numerosos lugares
de la red. Cuando se detecten problemas de cali-
dad de la energía se podrán desplegar sistemas
de supervisión más potentes.
Los relés y los equipos de control de distribu-
ción están siempre unidos al sistema eléctrico, de
modo que basta una pequeña inversión adicional
Duración Categoría Duración típica Variación típicade tensión
Corta duración Instantánea
Caída de tensión 0,5–30 ciclos 0,1–0,9 pu
Elevación de tensión 0,5–30 ciclos 1,1–1,8 pu
Momentánea
Interrupción de tensión 0,5 ciclos -3 s 1 min 0,8–0,9 pu
Sobretensión > 1 min 1,1–1,2 pu
Tabla: Información típica de sucesos que afectan a la calidad de la
energía eléctrica y que puede ser captada por los relés de protección
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para obtener información sobre la calidad de la
energía. Además, el hecho de que estén equipa-
dos con baterías para proporcionar protección
durante los cortes de corriente les permite regis-
trar los sucesos PQ durante las perturbaciones del
sistema. Con frecuencia es posible conectar los
relés y equipos de control de la distribución a un
sistema de comunicación y por tanto enviar a la
oficina central la información PQ. Además de
estas ventajas, el aumento de capacidad de los
microprocesadores permite ampliar la capacidad
de los relés y de los controladores.
Uso de relés y controladores
de equipos de distribución para
recoger información sobre la
calidad de la energía
Uno de los principales objetivos de la captación
de datos con un dispositivo electrónico inteligen-
te en tiempo real, como un relé de protección, es
obtener una información precisa sobre los suce-
sos PQ. Dichos sucesos deberían ser filtrados de
forma inteligente para ser registrados solo si pue-
den afectar al sistema. Por ejemplo, en vez de uti-
lizar un dispositivo de disparo de magnitud
única, un suceso PQ puede detectarse utilizando
tanto valores de tiempo como de magnitud. Cada
una de las categorías IEEE se establece mediante
un conjunto independiente de valores de tiempo
y magnitud. Esto proporciona al relé de protec-
ción la capacidad para prefiltrar y categorizar los
sucesos. Una vez disparado el suceso se captan
los datos del mismo de tres formas: mediante el
registro del suceso, la tendencia del valor eficaz
del suceso y el registro oscilográfico.
El registro del suceso proporciona al usuario
final un resumen preciso de lo que ha ocurrido
en el sistema, permitiéndole clasificar fácilmente
los sucesos en función de la fase, tipo, duración y
desviación. Un registro típico incluirá la fecha y
hora, la duración del suceso, la fase en que se ha
producido el suceso, la desviación máxima y
mínima respecto del valor nominal y la carga pre-
via al suceso. Utilizando este formato pueden
registrarse fácilmente cientos de sucesos PQ, des-
cargándolos rápidamente para su análisis off line.
Los datos oscilográficos proporcionan la infor-
mación más detallada para el análisis de fallos.
Frecuentemente se trata de datos trifásicos, que
ofrecen una visión completa de la actividad del
sistema. Sin embargo, los datos oscilográficos son
los que ocupan más memoria. Por ejemplo, ocho
ciclos de datos oscilográficos a 32 muestras por
ciclo requerirían aproximadamente 3,5 Kb de
memoria (8 ciclos x 32 muestras/ciclo x 7 canales
x 2 bytes). Por lo tanto, 128 sucesos requerirían
algo menos de medio megabyte de memoria.
Dicha capacidad no se encuentra disponible en
muchos de los relés de protección, de modo que
solo pueden ser guardados en la memoria los
Gracias a la nueva función de supervisión de la calidad de la energía, implantada
en los relés y equipos de control de distribución de ABB, los clientes pueden
acceder a la información sobre la calidad de la energía eléctrica en muchos puntos
del sistema y no dependen de los dispositivos especiales de supervisión.
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datos oscilográficos de los últimos sucesos. Así,
solo están disponibles los datos sobre los sucesos
recientes, mientras que los sucesos anteriores
quedan almacenados en registradores para su
análisis off-line.
El registro de tendencia de los valores efica-
ces ofrece la posibilidad de establecer un com-
promiso práctico para los datos oscilográficos. Las
necesidades de memoria se reducen, dado que
en lugar de realizar un muestreo continuo es
posible guardar periódicamente en la memoria
datos de los valores eficaces de los sucesos. Por
ejemplo, si el relé de protección toma 32 mues-
tras por ciclo, los datos de valores eficaces pue-
den ser guardados en la memoria cuatro veces
por ciclo, lo que reduce las necesidades de
memoria según un factor ocho. Si, para fines de
análisis de archivado, solo se guardan los datos
de la fase afectada, las necesidades de memoria
se reducen de nuevo según un factor tres. Por lo
tanto, la mayor parte de la información crítica
sobre la fase afectada solo necesita 1/24 de la
memoria necesaria para guardar todas las mues-
tras. La tendencia de los valores eficaces es, por
lo tanto, una opción mucho más práctica si se
trata de guardar en la memoria un gran número
de sucesos.
Supervisión de la calidad de la
energía eléctrica en un disposi-
tivo de protección de ABB
La función de supervisión PQ ha sido integrada
en dos dispositivos de protección de ABB, la uni-
dad de control de relés de reconexión PCD 2000
situada sobre poste y la unidad de control de
conmutación SCD 2000. En la unidad de protec-
ción de líneas de alimentación DPU 2000R
(REF544) se ha ensayado una implantación pro-
totipo del algoritmo. Además de sus funciones
normales de protección, automatización y comu-
nicaciones, estos productos disponen de un soft-
ware incorporado que supervisa y clasifica los
sucesos PQ según la definición de IEEE, graba un
registro de sucesos, suministra una tendencia de
valores eficaces y capta datos de ondas oscilográ-
ficas en el caso de caídas, elevaciones e interrup-
ciones de la tensión. Además, las unidades pue-
den captar la THD en las tensiones y la TDD en
las intensidades hasta el noveno armónico. La
implantación de estas funciones en los productos
mencionados se debió en gran medida a la estre-
cha colaboración entre ABB Corporate Research,
ABB Automation y ABB Distribution.
Todas las funciones se implantan en cada una
de las fases. Por lo tanto, una perturbación en una
sola fase generará un registro de sucesos, una ten-
dencia de valores eficaces solo para la fase afecta-
da y un registro oscilográfico que incluye datos de
las tres fases. Un suceso trifásico generará tres
registros de sucesos PQ, una tendencia de valores
eficaces para cada fase y también un solo registro
oscilográfico (debido a que al captar las ondas
oscilográficas se registran las tres fases). Actual-
mente es posible guardar en la memoria hasta un
máximo de 200 sucesos PQ con tendencias de los
valores nominales. Por regla general sólo se guar-
dan en la memoria las 8 últimas captaciones de
ondas oscilográficas trifásicas.
Calidad de la energía,
información procedente de un
relé de protección
Los datos de calidad de la energía recogidos por
los dispositivos de protección deben ponerse a
disposición de los usuarios de los diferentes
departamentos. La información puede ser recogi-
da directamente de la unidad por medio de un
interfaz de panel frontal con un sistema de
menús que guía al usuario por los diferentes
registros de calidad de la energía. También puede
conectarse a un puerto de comunicaciones en
serie un ordenador personal con software para
determinar la calidad de la energía eléctrica. Aun-
que estos métodos son efectivos para un monitor
autónomo fácilmente accesible, un sistema auto-
mático de recuperación necesitará un módem
conectado al puerto en serie u otro tipo de inter-
faz de red para recuperar los datos.
Para recuperar los datos PQ en una subesta-
ción puede instalarse un nodo de comunicacio-
nes como el DCD 2000 de ABB . Esto permite
a la unidad terminal remota (RTU) comunicarse
de forma ininterrumpida con la red de dispositi-
vos electrónicos inteligentes mientras que el
usuario remoto accede a los dispositivos, previa
demanda, para solicitar información PQ. La uni-
dad RTU ha sido concebida para suministrar al
sistema SCADA datos sobre la parte precedente.
El usuario remoto puede acceder a los datos PQ
a través de un módem de autorrespuesta. Con el
nodo DCD 2000 se utiliza la misma red de comu-
nicaciones para controlar y supervisar los relés y
los equipos de alimentación y recuperar los datos
PQ. Permitir que una aplicación PQ pueda acce-
der a los datos sin pasar por la RTU o por el sis-
tema SCADA tiene la ventaja de reducir al míni-
mo las operaciones de exploración de la base de
datos, necesarias para obtener los datos PQ.
4
4 Nodo de comunicaciones DCD 2000
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5 Instalación típica de supervisión de calidad de la energía con un servidor central para aplicaciones de red Web
Se utiliza una aplicación de servidor de red
para demostrar la nueva capacidad de supervi-
sión PQ. El sistema se diseñó como aplicación de
servidor, y no como aplicación para un PC autó-
nomo, por dos razones:
En primer lugar simplifica el despliegue y
mantenimiento del paquete de software, ya
que una aplicación de servidor se instala una
sola vez para toda la empresa. A continuación,
los usuarios instalan un explorador Web están-
dar en sus máquinas.
En segundo lugar permite a una gran cantidad
de clientes de diversos campos tener un acce-
so controlado a la información; un sistema
orientado a un servidor es muy ventajoso para
distribuir la información y controlar los acce-
sos. El servidor también se beneficia de dispo-
ner de una base de datos común para todos
los usuarios y de un solo punto de recogida de
datos de los dispositivos de campo.
En se muestra cómo se conectarían la aplica-
ción de servidor Web y el equipo de supervisión
PQ de ABB. Normalmente, en una subestación se
instalaría un nodo de comunicaciones conectado
a los relés y a los equipos de las líneas de ali-
mentación. Cuando se descargan los datos PQ, el
servidor central llamaría a las subestaciones y
descargaría la información procedente de los
relés de ABB. El sistema puede incluir varias
subestaciones con varios relés y líneas de alimen-
tación conectados. Para mayor claridad, la figura
muestra solo una subestación y los equipos de las
líneas de alimentación asociados.
Supervisión de la calidad in situ
La unidad PCD 2000 de ABB para el control de
relés de reconexión con funciones de supervisión
PQ ha sido instalada en tres plantas industriales
situadas en lugares diferentes de los Estados Uni-
dos como parte de un proyecto piloto de prueba
del sistema. Las instalaciones incluían un nodo de
comunicaciones DCD 2000 para permitir el acce-
so a la unidad PCD 2000 a través de un módem.
La unidad PCD 2000 realiza un muestreo de ten-
siones e intensidades tomando 32 muestras por
ciclo y dispone de suficiente RAM no volátil para
guardar más de 200 registros de sucesos PQ,
inclusive las tendencias de valores eficaces. Se
dispone de datos oscilográficos para todos los
canales durante 8 ciclos, pero solo para los
8 últimos sucesos. Los valores eficaces, calculados
5
InterruptorInterruptor
Nodo de comunicaciones
WebSCADA
Servidor PC
Líneatelefónicaanalógica
Reconec-tador
Reconec-tador
Conmutador
ConmutadorConmutador
Hacia otrassubestaciones
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utilizando 32 muestras por ciclo, eran guardados
en la memoria 4 veces por ciclo. Los resultados
que presentamos aquí son los obtenidos en una
planta industrial con una combinación de líneas
de alimentación aéreas y subterráneas.
En la figura se muestra una aplicación de
red con un resumen de los sucesos PQ registra-
dos por la unidad PCD 2000. La tabla presenta el
número de observaciones durante un período de
tiempo dado, dentro de las clasificaciones especi-
ficas por la definición IEEE 1159.
El resumen de sucesos proporciona informa-
ción concisa, de gran utilidad para un director de
relaciones con los clientes de una compañía eléc-
trica. Muestra el nombre del dispositivo registra-
dor, la fecha y la hora de la última descarga de
información y la lista de sucesos dentro de cada
una de las categorías de IEEE. El usuario puede
reducir los parámetros del filtro de sucesos para
consultar los sucesos producidos durante el últi-
mo día o semana. Esta información se encuentra
en un nivel suficientemente elevado como para
permitir el rápido acceso a los datos y establecer
la existencia de un problema sin tener que entrar
en detalles excesivos.
El siguiente nivel de datos contiene los deta-
lles de los sucesos, como puede verse en .
Esta pantalla muestra el resumen de cada uno de
los sucesos registrados, el tipo según la clasifica-
ción IEEE, la fase, la duración y la magnitud. Si
un suceso de duración o magnitud dada ha cau-
sado un determinado problema a un cliente, el
director de relaciones con los clientes puede
localizar exactamente el suceso en cuestión. Dos
enlaces permiten al usuario acceder a la pantalla
de valores eficaces o a la pantalla de datos oscilo-
gráficos, si dispone de ellas. Nótese que los datos
oscilográficos se encuentran disponibles solo para
los siete primeros sucesos visualizados, mientras
que las gráficas de valores eficaces se encuentran
disponibles para todos los sucesos.
Los perfiles de tensión eficaz proporcionan
información para analizar más a fondo, mientras
se produce el suceso, las características de la ten-
sión que dependen del tiempo. La figura pre-
senta el perfil de tensiones eficaces para el último
suceso de la lista detallada (el eje vertical muestra
la tensión eficaz de la línea, el eje horizontal el
tiempo en segundos desde el inicio del suceso).
El trazado de los datos oscilográficos en una grá-
fica permite realizar un análisis técnico detallado
de un suceso PQ. La gráfica de la figura
muestra la onda de fase (antes del suceso y
durante el mismo) para el mismo suceso captado
por el dispositivo de supervisión. En el eje verti-
cal se indica la tensión y en el horizontal el tiem-
po en segundos. Obsérvese que, en este ejemplo,
las limitaciones de memoria del dispositivo y los
valores de ajuste del relé limitan a ocho ciclos la
magnitud de captación de ondas oscilográficas.
La experiencia obtenida en estas pruebas
durante el pasado año testifica la viabilidad de
utilizar relés de protección para medir los sucesos
PQ, desde los cortes de corriente con duraciónmenor que un ciclo hasta los cortes de corriente
de larga duración, y demuestra que el relé de
protección puede captar información detallada
sobre dichos sucesos. La experiencia demuestra
también que en la mayoría de los problemas
PQW detectados por los dispositivos de supervi-
sión se trataba de caídas de tensión, y que estos
problemas son más frecuentes durante las tor-
mentas.
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Power Quality
6 Aplicaci ó n basada en la red Web para supervisi ó n de
la calidad de la energ í a el é ctrica: en pantalla un resumen de
sucesos con datos categorizados
7 Pantalla de detalles de sucesos basada en la red Web,
mostrando fecha del suceso, hora del mismo, clasificaci ó n, fase,
duraci ó n, magnitud y enlaces gr á ficos
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Resumen
Los avances en la tecnología de microprocesado-
res permiten integrar funciones adicionales, tales
como la supervisión de la calidad de la energía
en los relés digitales de protección y en los equi-
pos de las líneas de alimentación. Estos dispositi-
vos se utilizan normalmente en los sistemas de
los clientes, utilizan protocolos bien conocidos,
son robustos y están siendo ya actualizados. La
funcionalidad adicional permite a las compañías
eléctricas registrar mejor los incidentes que se
producen en el sistema y que afectan a la calidad
de la energía eléctrica, respondiendo así mejor a
las necesidades de los clientes. Entre las ventajas
que tiene la integración del control PQ en losequipos tradicionales de protección y de control
mencionaremos las siguientes:
Se necesitan con menos frecuencia equipos
adicionales o provisionales para la supervisión
de la calidad de la energía.
Se puede optimizar el uso de los sistemas
existentes.
Los directores de relaciones con los clientes
clave pueden acceder a los datos in situ, en las
instalaciones del propio cliente, con una
pequeña inversión adicional.
Las compañías eléctricas pueden reaccionar
antes a los problemas de los clientes.
Se pueden identificar las zonas problemáticas,
que hacen necesario un profundo análisis de
la calidad de la energía o que indican la
necesidad de proceder a trabajos de manteni-
miento.
Se pueden identificar los clientes que necesitan
la asistencia de la compañía eléctrica para la
calidad de la energía eléctrica.
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References
[1] D. Hart et al : Tapping protective relays for power quality information. IEEE Computer Applications
in Power, January 2000, 45–49.
[2] G.T. Heydt : Electric Power Quality. Stars in a Circle Publications, 1991.
[3] IEEE Std 1159–1995: IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
[4] IEEE Std 519–1992: IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power Systems
Autores
Dr. David HartDavid Uy
ABB Electric Systems TechnologyInstitute1021 Main Campus DriveRaleigh, NC 27606, USA [email protected]@us.abb.com,
Dr. Damir Novosel ABB Automation Group, LtdCH-8050, Zurich, [email protected]
Steven Kunsman ABB Automation7036 Snowdrift Road, Suite 2
Allentown, PA 18106, USA [email protected]
Carl LaPlace ABB Power Distribution1021 Main Campus DriveRaleigh, NC 27606, USA [email protected]
Marco Tellarini ABB T&D Management LtdCH-8050 Zurich, [email protected]
8 Registro de perfil de tensiones eficaces basado
en la red Web
9 Datos oscilogr á ficos de sucesos basados en la red Web
En la figura la onda oscilográfica comienza a las 07:54:38.967 y
termina a las 07:54:39.100 del 2 de marzo de 1999.